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高功率激光二极管驱动电源设计与实现

2013-05-29 17:15
Hsiao Chen
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  半导体激光管(LD)和普通二极管采用不同工艺,但电压和电流特性基本相同。在工作点时,小电压变化会导致激光管电流变化较大。此外电流纹波过大也会使得激光器输出不稳定。二极管激光器对它的驱动电源有十分严格的要求;输出的直流电流要高、电流稳定及低纹波系数、高功率因数等。随着激光器的输出功率不断加大,需要高性能大电流的稳流电源来驱动。为了保证半导体激光器正常工作,需要对其驱动电源进行合理设计。并且随着高频、低开关阻抗的MOSFET技术的发展,采用以MOSFET为核心的开关电源出现,开关电源在输出大电流时,纹波过大的问题得到了解决。

  由于大电流激光二极管价格昂贵,而且很容易受到过电压,过电流损伤,所以高功率仅仅有大电流开关模块还不能满足高功率二极管激光器的要求,还需要相应的保护电路。要保证电压、电流不要过冲。因此,需要提出一整套切实可行的技术措施,来满足高功率二极管激光器的需要。

  1 系统构成

  装置输入电压为24 V,输出最大电流为20 A,根据串联激光管的数量输出不同电压。如果采用交流供电,前端应该采用AC/DC作相应的变换。该装置主要部分为同步DC/DC变换器,其原理图如图1所示。

  Vin为输入电压,VM1、VM2为MOSFET,VM1导通宽度决定输出电压大小,快恢复二极管和VM2共同续流电路,整流管的导通损耗占据最主要的部分,因此它的选择至关重要,试验中选用通态电阻很低的M0SFET。电感、电容组成滤波电路。测量电阻两端电压与给定值比较后,通过脉冲发生器产生相应的脉宽,保持负载电流稳定。VM1关断,快恢复二极管工作,快恢复二极管通态损耗大,VM2接着开通续流,减少系统损耗。

  2 工作原理

  VM1关断,电流通过VD续流,接着VN2导通。由于VM2的阻抗远小于二极管阻抗,因此通过VM2续流。VMl、VN2触发脉冲如图2所示。图2中td为续流二极管导通时间。

  二极管消耗的功率为P=VtdI0。一般快恢复二极管压降0.4 V,当电流20 A时,二极管消耗功率为0.8 W。如采用MOSFET,则消耗的功率将小很多。本实验采用威世半导体公司的60 A的MOSFET,其导通等效电阻为0.0022 Ω。当电流为20 A时,消耗功率约为0.088 W。

  由电流纹波公式可知,增大电感、减小ton都可以减小纹波。为了不提高电感容量,实验中采用200 kHz的工作频率,其中电感选用4.8-μH,根据公式可得激光管压降2 V时纹波电流约为1 000 mA。

  系统采用了电流负反馈电路,以适应激光二极管的要求。当负载变化,电流略大于给定电流时,减小ton宽度,电压降低。电流略小于给定电流时,增加ton宽度,这样可以维持电流稳定。图3所示为脉冲发生器结构。

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